DFM-Implementierung steigert Qualität und Output

Seit Jahrzehnten ist DFM gängige Praxis bei der Entwicklung und Herstellung elektronischer Produkte. Bei der Implementierung von DFM wählen Unternehmen unterschiedlicher Größe verschiedene Ansätze: Einige Unternehmen überlassen die DFM-Aufgabe ihren Lieferanten, andere Unternehmen arbeiten noch immer manuell Checklisten ab, um DFM-Probleme in ihrem Design aufzuspüren. Wieder andere Unternehmen führen ihre DFM-Analyse mit hochentwickelter DFM-Software durch. Unabhängig davon, wie sie DFM in ihrem Designprozess implementieren, alle müssen sicherstellen, dass sämtliche DFM-Probleme behoben werden, bevor das Produktdesign an die Fertigung gesendet wird, um Qualität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Die von Aberdeen durchgeführte Studie „PCB Design Best Practices in 2023” zeigt, dass 85 % der großen OEM-Unternehmen (mit über 5.000 Mitarbeitern) DFM intern umsetzen. Kleine Unternehmen (mit weniger als 100 Mitarbeitern) setzen nur in 45 % der Fälle internes DFM ein. Die Studie ergab, dass die Fähigkeit eines Unternehmens, Zeit-, Qualitäts- und Kostenziele zu erreichen, nicht mit der Größe des Unternehmens zusammenhing, sondern direkt damit in Verbindung stand, ob das Unternehmen DFM-Software einsetzte oder nicht. Unternehmen, die auf DFM-Software setzen und strenge DFM-Best-Practices anwenden, produzierten pro Jahr 27 % mehr Designs und verkürzten ihren Entwicklungszyklus im Durchschnitt um mehr als einen Monat.

In der Regel verfügen große Unternehmen tendenziell über bessere Verfahren bei der Implementierung von DFM in ihren Prozess, da sie DFM seit langem durchführen und daher über ein größeres DFM-Wissen verfügen. Doch in welchen Phasen setzen diese großen Unternehmen DFM-Prüfungen für ihre Konstruktionen ein und welche Arten von Einschränkungen implementieren sie in den verschiedenen Designphasen?

DFM-Beschränkungen während des Schaltplanentwurfs

Einige große Unternehmen beginnen mit ihrer DFM-Prüfung bereits in der Phase des Schaltplanentwurfs. Beispielsweise stellt ein Hardwareingenieur seine Anfangsversion eines Schaltplans für eine neue Leiterplatte fertig und sendet diesen Schaltplan anschließend an einen Layoutingenieur, der ein neues Layout erstellt. Dabei geht es jedoch nicht um das eigentliche Produktdesign, sondern speziell um die DFM-Überprüfung.

Einige der in dieser frühen Phase implementierten DFM-Beschränkungen könnten sein:

• Gehäusegröße – Große Gehäusegrößen neigen zu größerem Verzug während des Reflow-Lötens und sind daher zu vermeiden.
• Mechanisch belastungsempfindliche Bauelemente – Große MLCCs werden während des Bestückungsprozesses leicht beschädigt.
• Andere Bauelemente mit hohem Risiko – Bauelemente, die durch eine geringe Ausbeute oder Zuverlässigkeit bereits in früheren Fertigungsphasen aufgefallen sind, sollten nur begrenzt eingesetzt oder völlig vermieden werden.

Aufgrund der Beschränkungen im Prozess und bei den Fertigungskapazitäten sollte die Verwendung von Ultra Fine Pitch-Bauelementen in einem Design eingeschränkt werden. Die Definition von Fine Pitch variiert je nach Gehäuse- und Produkttyp. Beispielsweise sollte man BGAs mit einem Pitch von weniger als 0,5 mm oder QFNs mit einem Pitch von weniger als 0,4 mm auf einer Server-Leiterplatte vermeiden, wenn ihre Prozesstauglichkeit nicht gut genug ist.

DFM-Beschränkungen beim Mechanik- oder Gehäusedesign

Wenn das mechanische Design beziehungsweise Gehäusedesign fertiggestellt ist, importiert ein Layoutingenieur die Konstruktionszeichnung in ein Layouttool und beginnt mit der Frühphase der Bauelementeplatzierung. So sorgt er dafür, dass die Anschlüsse und einige Hauptkomponenten an der richtigen Stelle platziert sind.

In einer Konstruktionszeichnung werden verschiedene Bereiche definiert: Bauelemente-Sperrflächen, Bereiche mit Bauelemente-Höhenbegrenzung und Sperrflächen für Leitungsbahnen. Obwohl ein Ingenieur nicht wissen kann, ob die Höhe aller Komponenten im Schaltplan der mechanischen Höhenbegrenzung entspricht, sollte er in der Lage sein, dies zu überprüfen. Wenn nicht, werden alle Probleme des mechanischen Designs am jeweiligen Prototyp an der Produktionslinie erfasst.

Weitere in der mechanischen Phase implementierte DFM-Beschränkungen können sein:

Platinengröße und -dicke – Platinengrößen, die die Kapazität der Fertigungsanlage überschreiten, sollten vermieden werden.

Platinenform – Bei einer ungeeigneten Platinenform kann die Platine während des Transports auf der Produktlinie stecken bleiben. Andererseits kann eine speziell geformte Platine zu einer schlechten Platinenausnutzung in der Fertigung führen, was die Herstellungskosten wesentlich erhöht.

Frühzeitige DFM-Implementierung in der Platzierungsphase

Nach der Platzierung der mechanischen Komponenten beginnt ein Leiterplatten-Layouter mit der Platzierung aller übrigen Komponenten aus dem Schaltplan. Mit DRC-Funktionen (Design Rule Checking) kann er grundsätzlich dafür sorgen, dass sich Bauteile nicht gegenseitig stören.

Die Platzierung kann jedoch eine der komplexesten Aufgaben bei der Leiterplattenfertigung sein, wenn eine Grundvoraussetzung darin besteht, dass sich die Bauteile nicht überlappen dürfen. In der Leiterplattenfertigung können viele verschiedene Prozesse zum Einsatz kommen – Lotpastendruck, Platzierung, Reflow-Löten, Wellenlöten, Pressfit-Technik, ICT usw. Unterschiedliche Bestückungsprozesse stellen unterschiedliche Anforderungen an die Platzierung, z.B. sollten Fine Pitch-SMD-Bauelemente weit von der Führungskante einer Leiterplatte entfernt sein, da sich dort typischerweise Überreste der Lötpaste ablagern, die zu Kurzschlüssen führen können. Ein langer SMT-Steckverbinder muss während des Reflowprozesses horizontal zur Führungsrichtung gehalten werden, damit der Leiterplattenverzug so gering wie möglich ist. Ein starker Verzug hat magere oder offene Lötstellen nach dem Reflow-Löten zur Folge.

Dutzende von DFM-Beschränkungen beziehen sich auf die Platzierung von Komponenten. Hier einige der wichtigsten Einschränkungen, die berücksichtigt werden sollten:

• Reparatur – Für verschiedene Gehäusetypen ist ein ausreichender Bauelementeabstand erforderlich; insbesondere für hohe und hitzeempfindliche Bauelemente wie Kristalle ist ein größerer Abstand erforderlich.
• Wellenlöten – Die häufigste Anforderung zur Platzierung von wellengelöteten Bauelementen besteht darin, einen ausreichenden Abstand von ihren Zuleitungen zu den benachbarten SMD-Bauelementen auf der Sekundärseite sicherzustellen.
• Pressfit – Das Einpressen führt zu mehr Spannung und Verzug im Bestückungsprozess. Mechanisch belastungsempfindliche Bauelemente sollten daher in einem gewissen Abstand zu den Einpressteilen platziert werden.
• ICT – Es sollten genügend Prüfpunkte bereitstehen; bei ausreichendem Abstand untereinander ist auch der Abstand zu Bauelementen von Bedeutung. Je größer das Bauteil, desto mehr Abstand ist erforderlich.

DFM in der kritischen Routingphase

Die kritische Routingphase setzt ein, wenn alle Komponenten des Schaltplans ordnungsgemäß im Design platziert worden sind. Der Layoutingenieur beginnt damit, das Routing der Leiterbahnen für das Design entsprechend den Anforderungen der Netzliste durchzuführen, nachdem die meisten Schlüsselnetze geroutet sind. Zu diesem Zeitpunkt kann der DFM-Prozess erneut zum Einsatz kommen. Die Verwendung von DRCs ermöglicht, dass die verlegten Leiterbahnen und anderen Kupferelemente einen Grundabstand untereinander einhalten. Aus Sicht des DFM oder der Leiterplattenfertigung können jedoch für bestimmte Stellen im Design größere Abstände erforderlich sein.

Beim Ätzen von Leiterplatten entstehen Laminatsplitter zwischen zwei Kupferelementen. Ein Laminatsplitter kann dazu führen, dass sich Teile der Fotobeschichtung während des Fotobeschichtungsprozesses in der Fertigung lösen. Dieses gelöste Teil kann an jeder Stelle des Designs Defekte und Kurzschlüsse verursachen, die die Ausbeute verringern.

Die Leiterplattenherstellung umfasst Hunderte von Prozessen, die komplexer sein können als der Bestückungsprozess. Dies sind nur einige Beispiele für Einschränkungen, die bei der Vorbereitung der Leiterplattenherstellung vorgenommen werden können:

• Leiterbahnbreite und -abstände – Der Design-Ingenieur muss die Kupferbreite und die Abstände zwischen den Kupferbahnen auf Basis des Kupfergewichts und der Position der Schicht in der Matrix (außen/innen) berücksichtigen. Diese Variablen wirken sich auf die verwendeten Herstellungsverfahren aus.
• Kranzförmiger Ring – Während des Bohrvorgangs kommt es zu einem leichten Abdriften des Bohreinsatzes. Beim Laminierungsprozess verschiebt sich die Schicht-zu-Schicht-Registrierung geringfügig. Während der Fotobeschichtung wird die Registrierung des Leiterplattenbildes nicht genau mittig auf die vorgesehenen Schichten übertragen. Eine unzureichende Ringbreite kann dazu führen, dass das Loch nahezu die Grenzen des Bohr-Pads berührt.
• Wärmefalle – Gemäß der Norm IPC-2222A (2010-Dezember) sollte ein Verhältnis von 60 % zwischen der kombinierten Speichenbreite und dem Stegdurchmesser bestehen.
• Lötmaskenabdeckung – Stromkreise in der Nähe eines Pads müssen vollständig von der Maske abgedeckt werden, um Lötbrücken während des Bestückungsprozesses zu verhindern.

DFM-Prüfungen in der Endphase des Designs

Die Endphase des Designs kann verschiedene DFM-Aspekte umfassen, wie vollständige Leiterbahnprüfungen, Validierung von Material- und Netzlisten sowie andere abschließende DFM-Prüfungen. Eine Routing-Prüfung der Leiterbahnen unterstützt die Designingenieure dabei, alle potenziellen DFM-Fehler während des gesamten Routings zu identifizieren, die Auswirkungen auf die Leiterplattenfertigung haben können. Die Einschränkungen für die Leitungsführung in dieser Phase können den in der kritischen Routingphase verwendeten Beschränkungen ähneln, sind jedoch umfangreicher als in den anfänglichen Routing-Phasen.

Anhand der Materiallistenvalidierung wird geprüft, ob alle in der Materialliste (BOM) aufgeführten Bauelemente mit dem Anschlussmuster der Leiterplatte übereinstimmen. Eine Nichtübereinstimmung kann bedeuten, dass das Bauelement nicht bestückt werden kann. Unterschiede bei der Anzahl der Pins, Überlappungen der Bauelemente und die Position der Pins in Bezug auf Pad oder Bohrloch sind häufige Einschränkungen, die während der Materiallistenvalidierung verwendet werden.

Eine Validierung der Netzliste ist auch in der Endphase des Designprozesses wichtig. Jeder Verstoß, wie eine offene Netzliste oder ein Kurzschluss, ist fatal für ein Design, da er zum Funktionsausfall führen kann. Mit DRC (Design Rule Checking) lassen sich die meisten Netzlistenprobleme erfassen. Dennoch wird es dringend empfohlen, eine Netzlistenprüfung auf Grundlage der CAM-Daten durchzuführen.

Neben den DFM-Prüfungen hinsichtlich der Vollständigkeit der Leiterbahnen, der Materiallistenvalidierung und der Netzliste müssen auch alle Einschränkungen aus den früheren Designphasen validiert werden, um sicherzustellen, dass das Design alle Aspekte der Fertigungsanforderungen erfüllt.

Fazit

Große Unternehmen können sowohl in Bezug auf Marktanteil als auch Qualität auf eine gute Erfolgsbilanz verweisen und haben in der Regel einen guten Ruf bei ihren Kunden. Ein Erfolgsgeheimnis besteht darin, eine angemessene Anzahl von DFM-Prüfungen bereits in frühen Designphasen und im Laufe der jeweiligen Produktdesignzyklen durchzuführen. Ein vertrauenswürdiges und zuverlässiges DFM-Tool hilft bei einer gleichzeitigen Validierung der Designs in unterschiedlichen Designphasen. Dies trägt dazu bei, robuste Produkte mit wettbewerbsfähigen Ausbeuten, Kosten und Zuverlässigkeitseigenschaften zu produzieren. Klein- und mittelständische Unternehmen können sich Investitionen in die neueste Unternehmenssoftware oder für den Einsatz von DFM-Spezialisten oftmals nicht leisten. Aber sie können die von größeren Unternehmen angewandten Best Practices implementieren und sich so einen guten Ruf in einer hochkomplexen Branche erarbeiten.